第五章分子结构和晶体结构(定稿)

2020/6/13,1,第五章分子结构和晶体结构,2020/6/13,长江大学化工学院,2,一.键能,在101.3kPa，298K条件下，断开将1mol气体AB分子断开成为气体A和气体B时的焓变，称为AB键的键能。通常用符号表示。,AB(g)A(g)B(g),讨论：反应物和产物均为气态反应物的量为1mol0,2020/6/13,长江大学化工学院,3,一.键能,结论：只有H1代表HCl分子的键能,结论：只有H3代表NaCl分子的键能,2020/6/13,长江大学化工学院,4,二.离解能,双原子分子的键能称为离解能，用符号D表示,2020/6/13,长江大学化工学院,5,三.键能的求算方法,1、共价键的键能,2020/6/13,长江大学化工学院,6,三.键能的求算方法,2、离子键的键能,2020/6/13,长江大学化工学院,7,四.平均键能的求算方法,1、CH4分子中C-H键的平均键能的实验值,2020/6/13,长江大学化工学院,8,四.平均键能的求算方法,2、CH4分子中C-H键的平均键能的理论值,2020/6/13,长江大学化工学院,9,五.晶格能（U）,由气态的阳离子和气态的阴离子结合生成1摩尔离子化合物固体时的焓变,被称之为离子化合物的晶格能。,1、晶格能,2、晶格能的热力学求算方法,2020/6/13,长江大学化工学院,10,五.晶格能（U）,2020/6/13,长江大学化工学院,11,五.晶格能（U）,2020/6/13,长江大学化工学院,12,五.晶格能（U）,3、晶格能的理论求算方法,138840是晶格能采用kJmol-1为单位和把d的单位从pm换算为m而引人的；d为正负离子核间距离，可近似用（r+r-）表示，单位为pm；z+，z-分别为正负离子的电荷数的绝对值；A是马德隆（Madelung）常数，与离子晶体的构型有关，对于CsCl，NaCl和ZnS型离子晶体,分别为1.763，1.748和1.630；n称为波恩指数，n的数值与,2020/6/13,长江大学化工学院,13,五.晶格能（U）,离子的电子层结构类型有关，如果正负离子属于不同的电子层结构类型，则n取平均值（见下表）。,2020/6/13,长江大学化工学院,14,六.分子的稳定性与键能的关系、晶格能与分子性质之间的关系,键能越大，键越牢固，由该键构成的分子就越稳定。,晶格能越大，晶体的熔点、沸点就越高，硬度也就越大,1、分子的稳定性与键能的关系,2、晶格能与分子性质之间的关系,2020/6/13,长江大学化工学院,15,七.键长和键角,1、键长分子中两个原子核间的平衡距离叫做键长。键长越短，键越牢固。,2、键角分子中键与键之间的夹角叫键角（例如：水和甲烷）。,2020/6/13,长江大学化工学院,16,八.键的极性与分子的极性,1、键的极性单质由于两个原子的电负性，即吸引电子的能力相同，因此正电荷重心和负电荷重心重合，形成非极性键。例如：H2、O2、N2、Cl2化合物由于两个原子的电负性不相同，即吸引电子的能力不相同，成键原子的电荷分布不对称，电负性较大的原子带负电荷，电负性较小的原子带正电荷，正负电荷重心不重合，形成极性键。,2020/6/13,长江大学化工学院,17,八.键的极性与分子的极性,2、分子的极性非极性分子由非极性键构成的分子为非极性分子（H2、Cl2），由极性键构成的对称分子为非极性分子（CO2、BF3、CCl4、PCl5）极性分子由不同原子构成的双分子为非极性分子（HCl、CO），由极性键构成的不对称分子为非极性分子（H2O、NH3）。,2020/6/13,长江大学化工学院,18,九.偶极矩,1、偶极矩():是衡量分子极性大小的物理量=qdq：表示正电荷重心或负电荷重心所带的电量，两者相等。d：表示正电荷重心和负电荷重心之间的距离。2、讨论偶极矩是一个矢量，其方向由正电荷重心指向负电荷重心。为0的分子为对称分子，亦即为非极性分子。不为0的分子为非对称分子，亦即为极性分子。,2020/6/13,长江大学化工学院,19,十.分子的磁性,1、抗磁性物质（或反磁性物质或逆磁性物质）分子中不含未成对电子的物质，即组成物质的分子中的电子均已配对的物质，称为抗磁性物质。2、顺磁性物质分子中含有未成对电子的物质，称为顺磁性物质。3、磁矩：,（单位玻尔磁子B.M.），,2020/6/13,长江大学化工学院,20,十一.现代共价键理论,1、共价键电负性相差不大或等于零的两个元素之间所构成的化学键叫共价键。在共价键化合物中不会发生电子转移，其共用电子对可能发生偏移，也可能不发生偏移。,2、现代共价键理论（ValenceBondTheory）自旋相反的成单电子相互接近时，核间电子密度较大，可形成稳定的化学键。一个原子有几个未成对的电子，便可和几个自旋相反的电子配对成键，即共价键具有饱和性。最大重叠原理，即共价键有方向性。,2020/6/13,长江大学化工学院,21,十一.现代共价键理论,2020/6/13,长江大学化工学院,22,十一.现代共价键理论,3、键和键(N2的形成过程),氮原子的电子构型为1s22s22px12py12pz1，三个未成对的p电子，分属于三个互相垂直的p轨道。,2020/6/13,长江大学化工学院,23,十二.杂化,1、问题的提出a、按照价键理论的饱和性，C和H之间只能形成CH2分子，且2个C-H键之间的夹角应为90。而实际上形成了CH4分子，且4个C-H键之间的夹角为109.5b、按照现代价键理论的饱和性，1个O原子和2个H原子之间可以形成H2O的水分子，且2个O-H键之间的夹角应为90。而实际测定值为104.5,2020/6/13,长江大学化工学院,24,十二.杂化,2、杂化及杂化类型,a、sp杂化(直线型分子),BeCl2的形成过程如下：,等性杂化,2020/6/13,长江大学化工学院,25,十二.杂化,b、sp2杂化（平面三角型）,BF3的形成过程如下：,2020/6/13,长江大学化工学院,26,十二.杂化,2020/6/13,长江大学化工学院,27,十二.杂化,c、sp3杂化（正四面体）,CH4的形成过程如下：,2020/6/13,长江大学化工学院,28,十二.杂化,d、sp3d杂化（三角双锥体）实例：PCl5e、sp3d2杂化（正八面体）实例：SF6,不等性杂化（sp3不等性杂化）,实验测得氨分子中的NH键之间的夹角不是90，而是107.3的三角锥形结构；水分子中的OH键之间的夹角不是90，而是104.5的V形结构。可以用杂化轨道理论加以解释。,2020/6/13,长江大学化工学院,29,十二.杂化,氨分子和水分子的结构示意图如下：在氨分子中含有1对孤电子对和3对成键电子对，在水分子中含有2对孤电子对和2对成键电子对；由于孤电子对与孤电子对之间的排斥作用孤电子对与成键电子对之间的排斥作用；孤电子对与成键电子对之间的排斥作用成键电子对与成键电子对之间的排斥作用。,2020/6/13,长江大学化工学院,30,十三.价层电子对互斥理论,1、中心原子：分子或离子中所含原子个数为“1”的那一个原子称为中心原子。实例：BeCl2,CO2,BF3,SO3,CH4,CCl4,PCl5,SF6,CO32-,NO3-,SO42-,PO43-等2、配位体：除中心原子以外的其它原子称之为配位体，在分子或离子中，配位原子可以相同，也可以不相同。实例：BF3,XeOF43、电子数目a、中心原子提供的电子数目等于其价电子数，即为该元素所在的族数。如P：5个电子，O：6个电子，Cl：7个电子，Mn：7个电子。,2020/6/13,长江大学化工学院,31,十三.价层电子对互斥理论,b、配位体提供的电子数。如H：1个电子（缺1个电子达到稳定结构）Cl：1个电子（缺1个电子达到稳定结构）O：不提供电子，但提供空轨道(非常特殊)。c、离子提供的电子数。如CO32-：2个，NO3-：1个，MnO4-：1个,5、电子对数与配位原子个数相等的分子或离子的空间构型,2020/6/13,长江大学化工学院,32,十三.价层电子对互斥理论,a、2对电子BeCl2，CS2直线型，中心原子为sp杂化，=0,b、3对电子SO3，BF3，SeO3，CO32-，NO3-平面三角型，中心原子为sp2杂化，=0c、4对电子CCl4，NH4+，ClO4-，PO43-，SO42-正四面体，中心原子为sp3杂化，=0d、5对电子PCl5三角双锥体，中心原子为sp3d杂化，=0e、6对电子SF6正八面体，中心原子为sp3d2杂化，=0,2020/6/13,长江大学化工学院,33,十三.价层电子对互斥理论,6、电子对数与配位原子个数不相等的分子或离子的空间构型a、平面正方形XeF4，RnCl4，ICl4-,2020/6/13,长江大学化工学院,34,十三.价层电子对互斥理论,究竟哪一种是稳定结构呢？在a、b中，电子对之间的最小夹角为90（相对于中心原子而言）,2020/6/13,长江大学化工学院,35,十三.价层电子对互斥理论,结论：构型a比构型b稳定，XeF4，RnCl4，ICl4-为平面正方形结构，中心原子为sp3d2不等性杂化，=0，为非极性分子。,b、直线型RnF2，I3-，N3-,2020/6/13,长江大学化工学院,36,十三.价层电子对互斥理论,结论：构型a比构型b、c稳定，RnF2，I3-为直线型结构，中心原子为sp3d不等性杂化。N3-的分析方法与RnF2，I3-不同，与XeF4的分析方法类似。中心原子N为sp3d2不等性杂化。,2020/6/13,长江大学化工学院,37,十三.价层电子对互斥理论,c、V型H2O(sp3)，SO2(sp2)，OCl2(sp3)，O3(sp2)，ClO2-(sp3)d、三角锥型NH3,PCl3,SnCl3-,NCl3,SO32-,XeO3均为sp3不等性杂化。e、变形的四面体S2O32-(sp3)SF4(sp3d)f、变形的八面体XeF6g、四方锥型ICl5(sp3d2)XeOF4(sp3d2),2020/6/13,长江大学化工学院,38,十三.价层电子对互斥理论,h、其它ClO-sp3不等性杂化，直线型，0ClO2-sp3不等性杂化，V型，0ClO3-sp3不等性杂化，三角双锥体，0ClO4-sp3杂化，正四面体，=07、价层电子对互斥理论的优缺点优点：a、可以圆满地说明分子的空间构型，解释物质的偶极矩和分子的极性问题；b、与杂化轨道理论所得结果完全一致。缺点：a、无法回答键的数目：单、双、叁键；b、无法回答键的性质：键、键。,2020/6/13,长江大学化工学院,39,十四.分子轨道理论,1、分子轨道理论的产生a、根据共价键理论知在O2、B2中电子皆已成对，应为抗磁性物质。但是磁性测定实验结果表明O2、B2是顺磁性物质，O2中有两个未成对的电子，B2中也有两个未成对电子，共价键理论无法解释。b、根据共价键理论知H2+离子中的电子没有配对，应该是不稳定的，但实际上它又是稳定的。其键能为269kJmol-1。c、用共价键理论处理像O3或比O3更复杂的分子时，发生了较大偏差较大。,2020/6/13,长江大学化工学院,40,十四.分子轨道理论,2、分子轨道与原子轨道的关系a、一个原子轨道对应于一个原子波函数，表示电子的一种不连续的运动状态，是量子化的。b、分子轨道是由原子轨道组合而成的，一个分子轨道对应于一个分子波函数，表示分子中的电子所处的一种不连续的运动状态，也是量子化的。c、原子轨道是单中心的，而分子轨道则是多中心的，因为分子是由多个原子组成的，而每一个原子都对应于一个原子核。d、原子轨道符号：s、p、d、f分子轨道符号：、,2020/6/13,长江大学化工学院,41,十四.分子轨道理论,、分子轨道的形成应满足的条件a、对称性匹配两个原子轨道组合成分子轨道时，原子轨道波函数正值部分和正值部分，负值部分和负值部分结合，为对称性匹配。可以组成分子轨道，称为成键轨道，且能量较低；如果是正值部分与负值部分结合，则对称性不匹配，只能组成反键轨道，且能量较高。b、最大重叠原则与价键理论所描述的内容相似。,2020/6/13,长江大学化工学院,42,十四.分子轨道理论,c、能量近似原则组成分子轨道的两个原子轨道，其能量相差不能太大，否则就不可能由它们形成分子轨道、分子轨道和分子轨道,分子轨道（a）由一个1s轨道（）和另一个1s轨道（）形成的分子轨道（主量子数n相同）,2020/6/13,长江大学化工学院,43,十四.分子轨道理论,特点：对称性匹配，形成成键分子轨道；分子轨道的波函数的值在两核间区明显增大；电子在两核间区的几率密度大分子轨道的能量低于原子轨道的能量，有利于成键。,2020/6/13,长江大学化工学院,44,十四.分子轨道理论,特点：对称性不匹配，形成反键分子轨道；分子轨道的波函数的值在两核间区明显减小甚至为0电子在两核间区的几率密度小，甚至为0；分子轨道的能量高于原子轨道的能量，能量升高，不利于成键。,2020/6/13,长江大学化工学院,45,十四.分子轨道理论,（b）由一个2px轨道（）和另一个2px轨道（）形成的分子轨道（主量子数n相同）,2020/6/13,长江大学化工学院,46,十四.分子轨道理论,分子轨道,（a）由一个2py轨道（）和另一个2py轨道（）形成的分子轨道（主量子数n相同）,2020/6/13,长江大学化工学院,47,十四.分子轨道理论,（b）由一个2pz轨道（）和另一个2pz轨道（）形成的分子轨道（略）,5、第二周期双原子分子的分子轨道能级图O2，F2的能级图,O2的分子轨道能级图,2020/6/13,长江大学化工学院,48,十四.分子轨道理论,Li2，Be2，B2，C2，N2的能级图,N2的分子轨道能级图,2020/6/13,长江大学化工学院,49,十四.分子轨道理论,7、N2分子和O2分子的电子构造示意图,6、分子轨道中电子的排布规则能量最低原理保理不相容原理洪特规则,2020/6/13,长江大学化工学院,50,十四.分子轨道理论,8、氮分子和氧分子的形成过程,N2分子的形成过程：,O2分子的形成过程：,说明：KK表示K层全充满，成键轨道和反键轨道相互抵销，相当于电子未参加成键，又叫非键电子，这样的轨道称为非键轨道,2020/6/13,长江大学化工学院,51,十四.分子轨道理论,9、氧分子中的化学键,2020/6/13,长江大学化工学院,52,十四.分子轨道理论,10、键级分子中成键轨道上的电子数与反键轨道上的电子数之差（即净成键电子数）的一半称为分子的键级。,2020/6/13,长江大学化工学院,53,十四.分子轨道理论,11、键级与键长和键能的关系键级越高，键能越大，键长越短，物质就越稳定，难于发生化学反应,2020/6/13,长江大学化工学院,54,十五.分子间的作用力（范德华力）与氢键,1、取向力：极性分子与极性分子之间之间的作用力a、NH3和NH3之间（同种分子）b、NH3分子与H2O分子之间（不同种分子）原因：偶极定向排列所产生的作用力。特点：偶极矩越大，取向力越大2、诱导力：极性分子与非极性分子的作用力a、CCl4的水溶液中b、极性分子之间H2O和H2O，NH3和H2O之间也存在诱导力原因：极性分子的偶极矩，使非极性分子变形（即已重合的正负电荷中心，不在重合），产生诱导偶极矩。,2020/6/13,长江大学化工学院,55,十五.分子间的作用力（范德华力）与氢键,两个极性分子之间的相互作用和极性分子与非极性分子之间的相互作用示意图如上图所示。,2020/6/13,长江大学化工学院,56,十五.分子间的作用力（范德华力）与氢键,3、色散力a、极性分子与极性分子之间b、极性分子与非极性分子之间c、非极性分子与非极性分子之间原因：电子和原子核的不断运动，使电子云和原子核之间发生瞬时相对位移，产生瞬时偶极矩。,2020/6/13,长江大学化工学院,57,十五.分子间的作用力（范德华力）与氢键,4、氢键问题的提出氟化氢和水的沸点反常现象,2020/6/13,长江大学化工学院,58,十五.分子间的作用力（范德华力）与氢键,水分子中的氢键在水分子中氢与氧以共价键结合，由于氧的电负性较大，电子对被强烈地偏向氧原子一方，而使氢带正电性，同时，氢原子用自己唯一的电子形成共价键后，已无内层电子。它不被其它原子的电子云所排斥，而能与另一水分子中氧原子上的孤电子对相吸引。结果水分子间便构成氢键OHO而缔合在一起。H与原来水分子中的氧以共价键结合，相距较近（99pm）而与另一水中的氧则以氢键结合，相距较远（177pm）。所以，OHO之间的距离共276pm。,2020/6/13,长江大学化工学院,59,氢键示意图,结论：氢只有跟电负性大的，并且其原子具有孤电子对的元素化合后，才能形成较强的氢键，象这样的元素有氟、氧和氮等,十五.分子间的作用力（范德华力）与氢键,2020/6/13,长江大学化工学院,60,十五.分子间的作用力（范德华力）与氢键,（a）、分子间氢键由于强的分子间氢键的生成，可使得甲酸、醋酸等缔合成二聚物（b）、分子内氢键在苯酚的邻位上有CHO，COOH，OH，NO2等时可形成氢键的螯合环。,2020/6/13,长江大学化工学院,61,十六.晶体结构,1、晶体的特点有规则的几何外型有固定的熔点有各向异性2、晶胞晶体中具有代表性的最小单位3、离子晶体NaCl晶体红色：代表氯离子白色：代表钠离子a.晶胞图b.离子数目,2020/6/13,长江大学化工学院,62,十六.晶体结构,c.结构特点立方面心点阵式结构：晶体为立方体，面上带心（Cl-）d.配位数Na+：配位数为6，与6个Cl-邻接，距离为a/2；或称之为正八面体配位Cl-：配位数为6，与6Na+个邻接，距离为a/2；或称之为正八面体配位,2020/6/13,长江大学化工学院,63,十六.晶体结构,e.离子坐标,2020/6/13,长江大学化工学院,64,十六.晶体结构,f.键长:a/2（a为立方体的边长）g.晶胞参数的求算方法,h.晶格特征晶格上的结点是正、负离子,2020/6/13,长江大学化工学院,65,十六.晶体结构,CsCl晶体（红色：代表铯离子；白色：代表氯离子）a.晶胞图b.离子数目,c.结构特点立方体心点阵式结构，晶胞为立方体，心在立方体的正中间d.配位数,2020/6/13,长江大学化工学院,66,十六.晶体结构,e.离子坐标,g.晶胞参数的求算方法,2020/6/13,长江大学化工学院,67,十六.晶体结构,立方ZnS（闪锌矿结构）（a=6）a.晶胞图（红色：代表硫离子，白色代表锌离子）b.离子的空间位置S2-：8个顶点各一个，6个面心各一个Zn2+：8个小立体中的其中4个小立体的体心上各1个c.离子数目,2020/6/13,长江大学化工学院,68,十六.晶体结构,d.配位数Zn2+：配位数为4，称之为四面体配位S2-：配位数为4，称之为四面体配位e.离子坐标,2020/6/13,长江大学化工学院,69,十六.晶体结构,f.结构特点：立方面心,h.密度,2020/6/13,长江大学化工学院,70,十六.晶体结构,CaF2（萤石结构）（a=5.45）a.Ca2+为立方面心结构，F-为简单立方结构b.离子数目（白色代表钙离子，红色代表氟离子）,F-：8个（位于8个小立方体的体心位置）为一个晶胞独享,2020/6/13,长江大学化工学院,71,十六.晶体结构,c.配位数,2020/6/13,长江大学化工学院,72,十六.晶体结构,f.离子坐标,2020/6/13,长江大学化工学院,73,十六.晶体结构,四、原子晶体（金刚石）1.结构特点与ZnS类似，只不过是S2-和Zn2+全部变为相同的碳原子2.原子坐标,2020/6/13,长江大学化工学院,74,十六.晶体结构,5.原子数目,6.空间利用率,2020/6/13,长江大学化工学院,75,十六.晶体结构,五、金属晶体金属Cua.结构特点：立方面心b.原子数目,e.原子坐标,2020/6/13,长江大学化工学院,76,十六.晶体结构,f.配位数：12（）,g.空间利用率,金属Wa.结构特点:立方体心b.W原子数目,2020/6/13,长江大学化工学院,77,十六.晶体结构,e.原子坐标,2020/6/13,长江大学化工学院,78,十六.晶体结构,f.配位数：8（立方配位）,2020/6/13,长江大学化工学院,79,十七.离子极化,1、极化在阳、阴离子自身电场的作用下，产生诱导偶极矩的过程，称之为离子的极化。特点：a.存在于离子型（离子键）化合物中b.导致正负电荷的重心不再重合c.导致结构和性质的变化2、极化作用一离子使异号离子极化而变形的作用，称之为离子的极化作用。特点：a.阳离子和阴离子都有极化作用b.阳离子的极化作用阴离子的极化作用原因：阳离子的半径阳离子的变形性原因：阴离子的半径阳离子的半径，电场弱4、阳离子极化作用的强弱规律离子的正电荷越大，半径越小，极化作用越强，变形性就越小。特点：外层电子牢固实例：H+、Fe3+,2020/6/13,长江大学化工学院,81,十七.离子极化,离子极化作用与外壳电子结构的关系8e917eF-电子层结构相同的阴离子，半径越大，变形性越大F-Cl-Br-I-阴离子变形性大小的规律（变形性顺序）a.SO42-H2OCO32-O2-S2-b.ClO4-F-NO3-H2OOH-CN-Cl-Br-I-,2020/6/13,长江大学化工学院,83,十七.离子极化,6、结论最容易变形的离子a.体积大的阴离子S2-、I-b.18电子外壳的阳离子Ag+、Cu+、Hg2+、Cd2+c.不规则外壳少电荷的阳离子Pb2+最不易发生变形的离子a.半径小电荷高的稀有气体型阳离子Be2+、Al3+、Si4+b.半径小电荷低的稀有气体型阴离子F-具有18电子外壳结构的阳离子，极化